一種新型離子束刻蝕裝置的研制

張冬艷，陳特超

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙 410111)

離子束刻蝕是一種典型的對(duì)樣品表面以原子、分子為單位進(jìn)行剝離的微細(xì)加工工藝和超精密加工方法，在微電子工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景，在微機(jī)械的制造中已成為不可缺少的工藝手段[1]。

離子束刻蝕設(shè)備國外在20世紀(jì)70年代初期就已有設(shè)備的雛形，發(fā)展至今已是成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，國內(nèi)在20世紀(jì)80年代初開始自行研制并生產(chǎn)單束、單片加工的離子束刻蝕機(jī)[2]。為適應(yīng)半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，提高刻蝕設(shè)備的功能，滿足國內(nèi)外用戶的需求，本文就中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所研制的離子束刻蝕機(jī)中的二維運(yùn)動(dòng)工件臺(tái)、自動(dòng)擋板機(jī)構(gòu)和獨(dú)立的測(cè)束裝置及平行束離子源作介紹。

1 設(shè)備工作原理

離子束加工是在真空條件下，將氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等惰性氣體通過離子源產(chǎn)生離子束，經(jīng)加速、集束、聚焦后，轟擊被加工件的表面，即當(dāng)離子束轟擊加工表面的能量超過加工表面材料的原子結(jié)合能時(shí)，加工表面材料的原子(或分子)被濺射出來，以達(dá)到去除表面材料的目的。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)

圖1是離子束刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。它由離子源、反應(yīng)室、工件臺(tái)、真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、電氣控制等主要部分組成。

圖1 離子束刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

離子源采用中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所研制的平行束離子源系統(tǒng)，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，降低了以往由于離子源電源的不穩(wěn)定而引發(fā)的設(shè)備故障率。離子流密度較高，且整體可拆卸，便于維修。反應(yīng)室為臥式結(jié)構(gòu)，離子源水平噴射離子束流方式，刻蝕濺射物可大部分落于真空室底部，有效減少濺射材料的再沉積。反應(yīng)室左側(cè)為可打開的鉸鏈門結(jié)構(gòu)，同時(shí)其上可裝載基片，整個(gè)反應(yīng)室腔體為雙層水冷結(jié)構(gòu)，全不銹鋼材料制造。本設(shè)備在工件臺(tái)的設(shè)計(jì)上，將以往的一維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化為二維運(yùn)動(dòng)，即可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和傾斜，依據(jù)離子束刻蝕原理，該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)刻蝕均勻性的提高起到一定作用，同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)型的工藝研究提供了便利。圖2為工件臺(tái)的二維運(yùn)動(dòng)示意圖。

圖2 工件臺(tái)二維運(yùn)動(dòng)示意圖

氣缸驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)擋板機(jī)構(gòu)。一般從放電開始到束流穩(wěn)定往往需要幾分鐘的時(shí)間，在束流穩(wěn)定后按下?lián)醢彘_關(guān)進(jìn)行刻蝕并同步計(jì)時(shí)，刻蝕時(shí)間可通過和擋板連接的時(shí)間繼電器設(shè)定、顯示并控制。擋板也可隨時(shí)對(duì)正在進(jìn)行工作的離子源的束流進(jìn)行有效阻擋。該機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)控制、可顯示、可設(shè)定等多種功能，為工藝試驗(yàn)前檢測(cè)束流密度和束的中和情況等工作提供了便利條件。

測(cè)束器是通過陶瓷引線引入反應(yīng)室內(nèi)部，對(duì)基片附近的束流進(jìn)行測(cè)量，通過控制面板上的束流表顯示測(cè)量結(jié)果。此機(jī)構(gòu)對(duì)于掌控基片附近的束流提供了可靠的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。

真空系統(tǒng)是本設(shè)備的關(guān)鍵之一，它是由分子泵、機(jī)械泵、電磁擋板閥、真空管道等組成。為保證工藝的連續(xù)性和工藝的多樣性，本設(shè)備采用恒定送氣和恒定抽氣的方式。送氣采用質(zhì)量流量計(jì)控制，保證氣流的穩(wěn)定和均勻。

2.2 刻蝕材料的無選擇性

加工材料廣泛，對(duì)脆性、半導(dǎo)體、高分子等材料都可加工。且加工在真空下進(jìn)行，故也適用于加工易氧化的金屬、合金等材料[3]。由于樣品在真空中可以被準(zhǔn)直的離子束定向轟擊，是一種方向性刻蝕，可以克服化學(xué)濕法中不可避免的鉆蝕現(xiàn)象，故刻蝕圖形邊緣陡直、清晰、分辨率高。

2.3 高加工精度及表面質(zhì)量

離子束轟擊材料是逐層去除原子或分子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，其加工精度可達(dá)微米級(jí)。且由于離子束流密度、能量、入射角、工件臺(tái)的二維運(yùn)動(dòng)等工作參數(shù)能夠在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)獨(dú)立、準(zhǔn)確的控制，可容易得到不同樣品的最佳加工條件，既可控制線條的邊壁斜度，又能控制溝槽深度按一定函數(shù)變化。由于加工時(shí)被加工表面層溫度低，不會(huì)引起機(jī)械應(yīng)力和損傷，故加工質(zhì)量高。

2.4 刻蝕速率

刻蝕速率是體現(xiàn)設(shè)備加工效率的主要標(biāo)志，它是以單位時(shí)間內(nèi)刻蝕的深度表示的，與濺射率、到達(dá)表面的離子通量密度及材料的原子密度有關(guān)。刻蝕速率與濺射率成正比，濺射率與入射離子的種類、能量、入射角度、靶材的種類、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、溫度以及殘余氣體組分有關(guān)。本裝置的離子束入射離子能量范圍較寬，在0～1 500 eV可調(diào)，為刻蝕速率的選擇提供了較寬的范圍，雖然入射離子能量的增大可增大刻蝕速度，但由于造成的表面損傷也較大，故在試驗(yàn)過程中需綜合多方面因素選擇合適的數(shù)值。

3 工藝試驗(yàn)

對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行逐一測(cè)試后，做離子束刻蝕工藝試驗(yàn)。刻蝕材料100mm鋁鎳合金，送入工藝氣體Ar氣到反應(yīng)室內(nèi)，通過調(diào)節(jié)Ar氣體質(zhì)量流量控制器使反應(yīng)室工作壓力穩(wěn)定在4.0×10-2 Pa左右，啟動(dòng)離子源電源，設(shè)定各模塊電壓或電流值，放電電壓55 V，離子束電壓500 V，離子束電流54mA，加速柵電壓120 V，待離子源穩(wěn)定工作，打開自動(dòng)擋板，刻蝕時(shí)間10m in，使用顯微鏡和臺(tái)階儀對(duì)刻蝕樣片進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量點(diǎn)位置如圖3，各點(diǎn)的刻蝕深度如表1所示。

圖3 樣片測(cè)試點(diǎn)示意圖

表1 測(cè)試點(diǎn)刻蝕深度表

用游標(biāo)卡尺測(cè)量φ80 mm直徑，在此直徑上均勻取4點(diǎn)，用α臺(tái)階儀分別測(cè)量該4點(diǎn)及圓片中心點(diǎn)處的刻蝕深度。用下列公式計(jì)算刻蝕均勻性：

Ti：測(cè)量值

Tu：算術(shù)平均值

n：樣本數(shù)

采用上述均方根法計(jì)算，最后得出δ＝3.8%，所以本離子束刻蝕裝置均勻性≤±4。

4 結(jié)論

加工質(zhì)量和加工效率一直是離子束刻蝕工藝的主要問題。刻蝕設(shè)備的研制水平是決定工藝質(zhì)量的重要條件之一。上述試驗(yàn)結(jié)果表明本裝置在性能指標(biāo)上優(yōu)于以往的國產(chǎn)同類設(shè)備，且使用范圍廣泛，通用性強(qiáng)，可應(yīng)用于中小生產(chǎn)線或科研院所的實(shí)驗(yàn)室。

[1]趙麗華，周名輝.離子束刻蝕[J].半導(dǎo)體技術(shù)，1999，24(1):39-42.

[2]任延同.離子束現(xiàn)狀與未來發(fā)展[J].光學(xué)精密儀器,1998,6(2):7-14.

[3]Seliger R L,Fleming W P.Focused ion beams inmicrofabrication[J].Applied Physics,1987,45(3):1416-1422.